阅读说明：本技术 固井二界面胶结质量评价装置及方法 (Cementing quality evaluation device and method for well cementation two-interface ) 是由 郭小阳 贾禛 李永刚 胡开利 毛德森 罗亮 江洪 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及固井二界面胶结质量评价装置及方法。该装置由圆柱形釜体1、岩心4、流体加压泵11、压力传感器12等组成,釜体有可拆卸的上密封盖2、下密封盖3,上密封盖有进液进气口6、泄压阀9和压力传感器12,下密封盖有出液出气口7；釜体内有岩心4,岩心表面有滤饼,岩心与釜体之间的环形空间内有水泥环。该方法包括：将带有滤饼的岩心抽真空,使岩心饱和树脂；将岩心放入釜体中,加入固井水泥浆,养护一定时间,岩心与釜体内壁之间形成水泥环；向釜体内注入流体；记录二界面滤饼发生破坏形成流体窜通通道时的破裂压力,得到二界面胶结系数。本发明能有效避免流体从岩心渗流,真实反映固井二界面的胶结质量,具有广阔的市场前景。(The invention relates to a cementing quality evaluation device and method for a well cementation two-interface. The device comprises a cylindrical kettle body 1, a rock core 4, a fluid pressure pump 11, a pressure sensor 12 and the like, wherein the kettle body is provided with an upper sealing cover 2 and a lower sealing cover 3 which are detachable, the upper sealing cover is provided with a liquid inlet 6, a pressure release valve 9 and the pressure sensor 12, and the lower sealing cover is provided with a liquid outlet 7; a rock core 4 is arranged in the kettle body, a filter cake is arranged on the surface of the rock core, and a cement sheath is arranged in an annular space between the rock core and the kettle body. The method comprises the following steps: vacuumizing the rock core with the filter cake to saturate the rock core with resin; putting the core into a kettle body, adding well cementing cement slurry, and maintaining for a certain time to form a cement sheath between the core and the inner wall of the kettle body; injecting fluid into the kettle body; and recording the fracture pressure when the filter cake on the two interfaces is broken to form a fluid channeling channel, and obtaining the cementation coefficient of the two interfaces. The invention can effectively avoid the seepage of fluid from the rock core, truly reflects the cementing quality of the well cementation two interfaces and has wide market prospect.)

固井二界面胶结质量评价装置及方法

技术领域

本发明涉及油气井勘探开发领域固井过程中一种固井二界面胶结质量评价装置及方法。

背景技术

对油气井固井完井工程而言，通常把套管与水泥环之间的胶结面称之为固井一界面，把水泥环与地层之间的胶结面称之为固井二界面。水泥环本体和固井一二界面就共同组成了固井水泥环封固系统。固井封固系统的质量直接关系到油气井产能与寿命，直接关系油田的开发效益。如果水泥环对层间封隔能力降低甚至失去层间封隔的作用，将诱发地层流体窜流及井口环空带压，影响正常的油气生产。造成窜流的主要原因是钻井过程中，钻井液滤失在井壁上形成滤饼，在固井时由于滤饼的存在导致固井水泥浆不能紧密胶结一体，为地层流体窜通提供了通道，导致了一系列固井问题的发生。

目前常规的室内研究固井二界面胶结质量评价方法存在一定的缺陷和不足。如有的学者使用压力机测试滤饼存在情况下岩心与水泥环完全滑脱所需剪切压力(崔茂荣,马勇,CuiMaorong,等.评价钻井液滤饼对固井二界面胶结质量影响的新方法[J].天然气工业,2006,26(12):92-93)，但实际情况是井下几乎不会出现岩层与水泥环滑脱的情况，且不能评价二界面对地层流体的封隔能力；也有的学者将滤饼视为具有渗透性物质，在岩心一端使用液体通过样品测试渗流流量，从而评价二界面胶结质量(顾军,杨卫华,秦文政,etal.固井二界面封隔能力评价方法研究[J].石油学报,2008,29(3))，但该方法并未考虑液体会从岩心渗流，同样不能反映真实的固井二界面的胶结质量。

发明内容

本发明的目的在于提供固井二界面胶结质量评价装置，该装置原理可靠，操作简便，能够有效避免流体从岩心渗流，真实反映固井二界面的胶结质量，具有广阔的市场前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对固井二界面胶结质量进行评价的方法，该方法通过对流体加压击穿有滤饼存在的二界面，形成流体在二界面的窜流通道，根据二界面的流体窜通压力，得到二界面的胶结系数，从而评价二界面的胶结质量。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

固井二界面胶结质量评价装置，由圆柱形釜体、岩心、加热套、保温套、流体加压泵、压力传感器等组成。所述釜体顶部至底部内径逐渐减小，内壁形成倒圆台型，釜体内部设有岩心，在所述岩心表面形成滤饼后塑封岩心，所述岩心与釜体内壁之间有水泥环。釜体顶部设有可拆卸的上密封盖，上密封盖设有分别与釜体内部相通的进液进气口、泄压阀、压力传感器，进液进气口通过管线与流体加压泵相连，所述管线上设有由流体加压泵向釜体内部流通的单向阀。釜体底部设有可拆卸的下密封盖，所述岩心放置在下密封盖内表面，所述下密封盖设有与釜体内部相通的出液出气口，所述出液出气口设置在岩心与釜体内壁之间，釜体外壁设有加热套。

作为优选，所述上密封盖为倒U型，上密封盖内侧壁与釜体顶部外壁之间设有密封圈一，上密封盖内侧壁与釜体外壁螺纹连接。

作为优选，所述下密封盖为U型，下密封盖内侧壁与釜体底部外壁之间设有密封圈二，下密封盖内侧壁与釜体外壁螺纹连接。

作为优选，所述出液出气口至少设置两个，均匀分布在岩心与釜体底部内壁之间。

作为优选，所述釜体顶部内壁与釜体顶部外壁形成的夹角为7°～8°。

利用上述装置对固井二界面胶结质量进行评价的方法，依次包括如下步骤：

(1)将岩心置于滤饼压制装置中，在岩心表面形成致密的钻井液滤饼；

(2)将带有滤饼的岩心置于真空罐中，在抽真空的同时，向岩心中滴入树脂，使岩心饱和树脂，该树脂可与水泥浆共同凝结，且不会影响滤饼结构；

(3)将岩心放入釜体中，在岩心与釜体的环形空间中加入固井水泥浆，在实验要求条件下养护一定时间，岩心与釜体内壁之间形成水泥环；

(4)流体加压泵通过单向阀和进液进气口向釜体内注入流体，升至一定压力时流体击穿有滤饼存在的二界面，在二界面形成流体窜通通道，流体通过出液出气口泄出；

(5)记录二界面滤饼发生破坏形成流体窜通通道时的破裂压力，得到二界面胶结系数，从而评价二界面的胶结质量，二界面胶结系数的计算公式如下：

式中γ为二界面胶结系数，无量纲；

r₁为含滤饼岩心外径，cm；

r₂为不含滤饼岩心外径，cm；

P_w为破裂压力，MPa；

μ₁为二界面处与水泥石摩擦系数，无量纲；

μ₂为二界面处与岩心摩擦系数，无量纲；

θ为二界面与水平面夹角，0°＜θ＜180°。

所述破裂压力即为该滤饼状态下流体窜通压力，二界面胶结质量与二界面胶结系数成正比，即二界面胶结系数越大，二界面胶结质量越好，反之，二界面胶结系数越小，二界面胶结质量越差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在加温加压环境下真实模拟固井时井底环境，通过滤饼破裂形成流体在二界面的窜流通道。

(2)本发明将滤饼作为二界面薄弱层，提出以压力数值带入数学模型计算作为直观表现二界面胶结情况的依据，更接近井下实际情况。

(3)设置釜体顶部至底部内径逐渐减小，内壁形成倒圆台型，能够防止水泥石整体滑脱，与实际井下情况一致；通过设置釜体顶部内壁与釜体顶部外壁形成的夹角为7°～8°，能够使防脱效果更好。

(4)通过形成带滤饼且塑封的岩心，塑封后的岩心能够避免流体从岩心渗流，使测试结果更准确。

附图说明

图1为固井二界面胶结质量评价装置的结构示意图。

图2为该装置上密封盖结构示意图。

图3为二界面胶结受力状态图。

图中标号：

1-釜体、2-上密封盖、3-下密封盖、4-岩心、5-加热套、6-进液进气口、7-出液出气口、8-保温套、9-泄压阀、10-单向阀、11-流体加压泵、12-压力传感器、13-压力记录仪、14-密封圈三、15-螺栓。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

如图1-2所示。

固井二界面胶结质量评价装置，由圆柱形釜体1、岩心4、加热套5、保温套8、流体加压泵11、压力传感器12、压力记录仪13组成。

所述釜体1顶部至底部内径逐渐减小，内壁形成倒圆台型，所述釜体有可拆卸的上密封盖2、下密封盖3；上密封盖2有进液进气口6、泄压阀9和压力传感器12，进液进气口通过单向阀10和管线连接流体加压泵11，压力传感器连接压力记录仪13；下密封盖3有出液出气口7；所述釜体内有岩心4，该岩心放置于下密封盖内表面，岩心表面有滤饼，岩心与釜体之间的环形空间内有水泥环；所述釜体外有加热套5和保温套8。

所述釜体顶部内壁与釜体顶部外壁形成7°～8°的夹角。

所述出液出气口7至少设置两个，且均匀分布在岩心与釜体内壁之间。

所述加热套5内部有电热丝，电热丝与加热控制装置相连，所述加热套5外表面设有保温套8，保温套8采用玻璃棉或岩棉制作而成。

所述上密封盖2为倒U型，上密封盖内侧壁与釜体1顶部外壁之间设有密封圈一，上密封盖内侧壁与釜体外壁螺纹连接；所述下密封盖3为U型，下密封盖内侧壁与釜体1底部外壁之间设有密封圈二，下密封盖内侧壁与釜体外壁螺纹连接。

如图2所示，所述上密封盖2设有向下的定位凸起，釜体1顶部设有与定位凸起配合的定位凹槽，所述定位凹槽内设有密封圈三14，上密封盖通过螺栓15与釜体顶端密封。

本发明通过二界面胶结系数评价二界面的胶结质量，二界面胶结系数的计算公式如下：

式中γ为二界面胶结系数，无量纲；

r₁为含滤饼岩心外径，cm；

r₂为不含滤饼岩心外径，cm；

P_w为破裂压力，MPa；

μ₁为二界面处与水泥石摩擦系数，无量纲；

μ₂为二界面处与岩心摩擦系数，无量纲；

θ为二界面与水平面夹角，0°＜θ＜180°。

该公式的推导过程如下：

以水泥环为研究对象，取二界面胶结界面进行受力分析，从而列出二界面胶结受力界面平衡方程(见图3)。

由3图可看出，二界面有两个受力方向，其中向下受力界面即加压方向受力界面方程为：

F_w＝P_w×A_c (2)

向上受力即加压方向所受阻力分为以下几个部分：

竖直方向滤饼反作用力界面方程为：

F＝(P_w-P_wsinθ)×A_c (3)

胶结作用内应力界面方程为：

F_γ＝γC₁ (4)

与水泥环胶结摩擦力界面方程为：

F₁＝(P_w-P_wsinθ)×C₁μ₁ (5)

与岩心胶结摩擦力截面方程为：

F₂＝P_wC₂μ₂ (6)

在滤饼破裂瞬间，两边受力平衡，联立(2)(3)(4)(5)(6)可得出以下方程：

(P_w-P_wsinθ)A_c-γC₁+(P_w-P_wsinθ)C₁μ₁+P_wC₂μ₂＝P_wA_c (7)

将(7)式展开得：

式中：A_c为水泥环与滤饼胶结受力截面，m²；C₁为水泥环侧弧长，m；C₂为岩心侧面弧长，m；n为圆心角度数，°；r₁位含滤饼外径，m；r₂为不含滤饼内径，m；γ为二界面胶结系数，无量纲；p_w为破裂压力，MPa；μ₁为二界面处与水泥石摩擦系数，无量纲；μ₂为二界面处与岩心摩擦系数，无量纲；θ为二界面与水平面夹角，0°＜θ＜180°。

将(8)式化简后得：

从而得到二界面胶结系数与破裂压力之间的关系：